南昌市青山湖片区防涝安全下边界设计水位的优化

李保建，詹 健

（1.江西省电力设计院，江西南昌 330096；2.南昌大学建筑工程学院，江西南昌 330031）

近年来，极端天气时有发生，给我国很多大城市带来了频繁的洪涝灾害，暴雨强度也屡创新高［1］。据统计［2］，我国492座城市有着防洪任务，但仅有35.98%的城市满足规定的防洪标准。2016年6月，南昌遭遇暴雨袭击，城区多个低洼路段出现内涝积水，部分居民小区路面水深达1 m，严重威胁着当地人们的财产安全甚至生命。在当前城市化的发展过程中，必须重视新的城市公共安全问题，即洪涝灾害［3］。目前，大量的国内外学者已经建立了许多城市雨洪模型，其中SWMM模型应用较为广泛［4-8］。

南昌作为江西省会城市，内涝问题日益突出，目前针对南昌市构建雨洪管理模型方面的研究仍鲜有报道，青山湖片区是南昌市内涝灾害的重灾区，将其作为南昌市内涝问题的研究对象具有很强的现实意义。本次研究通过分析南昌市青山湖片区雨洪特点，利用SWMM建立南昌市青山湖片区雨洪管理模型，并结合青山湖排涝泵站运行情况，对青山湖片区防涝安全下边界设计水位进行分析优化。

1 研究区域概况

南昌市地处江西北部，市域地形以平原为主，约占总面积的36%，西北部丘陵分布较多，东南地势比较平坦，水系河湖分布广泛。南昌市为亚热带季风气候，一年之中夏冬两季较春秋两季长，全年日照比较充足。南昌市年平均降水量约1 500 mm，全年平均降水时间约合3个月，平均暴雨天数约5.6 d。

本次研究选择的区域是南昌市多次降雨的主要积水区，具体范围为：子固路、十字街、船山路以及井冈山大道以东，青山湖大道以西，广州路、佛塔路以北，富有大堤以南，区域面积为52 km2。青山湖片区示意图如图1所示。

图1 青山湖片区范围Fig.1 Range of Qingshan Lake Area

2 模型构建及参数选取

本次研究通过排水管网概化（图2）、模型背景图创建（图3）、子汇水区划分（图4）、模型初值预估4个环节初步建立南昌市青山湖片区雨洪管理模型。

图2 管网拓扑结构图Fig.2 Topological Structure Diagram of Pipeline Network

图3 模型背景图Fig.3 Model Background Image

图4 子汇水区划分图Fig.4 Sub-Catchment Area Map

选用南昌市有代表性的2场暴雨过程对模型参数进行率定，同时选用南昌市有代表性的1场暴雨过程对模型进行验证，最终确定该模型参数，结果如表1所示。

表1 模型主要参数率定结果表Tab.1 Calibration Results of Main Parameters for the Model

3 不同降雨情景模拟

3.1 不同降雨情景设计

设计暴雨是人工合成的降雨，它的合成依据主要有两个，即确定的降雨重现期和降雨历时。它可以用来模拟不同降雨情景下的地下管流、坡面流，进一步检验现状管网的排水能力。设计暴雨主要对两方面内容进行设计，即暴雨的时空分布、平均强度，其中暴雨的时空分布是由暴雨雨型来表示的。不同的暴雨雨型直接关系着流域的洪峰流量以及具体的流量过程。在平均降雨强度相同的条件下，均匀雨型与雨峰在中后部的三角形雨型相比，洪峰可以减小30%。

由南昌市的降雨资料可知，在有记录的短历时强降雨中，单峰雨型占多数，雨峰一般在前中部，且雨峰位置大多在0.3～0.4，基本符合芝加哥雨型的特点，选用该雨型比较合适，本次研究雨峰系数取0.4。

南昌市暴雨强度如式（1）。

其中：q—暴雨强度，L ／（s·hm2）；

T—重现期，a；

t—降雨历时，min。将式（1）以雨强形式表示，则南昌市暴雨强度公式可变换为式（2）。

其中：i—雨强，mm／min。

根据芝加哥雨型公式，如式（3）。

对应式（2），得出 a＝8.316（1＋ 0.69 lg T），b＝1.4，c＝ 0.64。

根据南昌市青山湖片区的实际情况，经综合考虑，按重现期分别为 0.5、1、2、5、10 a五种重现期下、120 min历时的降雨作为设计暴雨。将整个降雨历程离散为 5 min 的序列，将 t1＝ 5、10、15、20、25、30、35、40、45 min，t2＝ 50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120 min 化作以锋为起点的降雨，可得设计暴雨雨强的具体结果，如表2所示。设计暴雨降雨过程线如图5所示。

表2 暴雨雨强计算结果汇总表Tab.2 Summary Sheet of Calculation Results for Rainstorm Intensity

续 表

图5 设计暴雨降雨过程线Fig.5 Design Rainstorm Rainfall Process Line

3.2 青山湖水位变化情景设计

对于子汇水区，单次降雨是其上游边界条件，雨水口的入流过程是其下游边界条件。对于管网，雨水口的入流过程是其上游边界条件，下游管道出水口水流状态是其下游边界条件。从整个排水系统来看，具体的降雨情景是研究区域的上游边界条件，排出口的水流状态是其下游边界条件，这里主要是指青山湖的水位，下游边界条件青山湖水位为常水位17.50 m。

对于在青山湖湖畔的雨水排放口，其下游出流条件与青山湖水位密切相关，因此选用不同的青山湖水位来描述雨水排水系统的下游边界条件。青山湖水位由青山闸、青山湖电排站调控，本次模拟采用恒定的水位值作为下游的边界条件。模拟中采用青山湖的3个特征水位，即汛期最高水位19.50 m，监测最低水位16.02 m，以及常水位17.50 m。

南京东路尾端出水口的底部标高为16.63 m，出水管的管径为1.4 m。结合青山湖的3个特征水位可以发现，该排放口分别为完全淹没、自由出流以及半淹没状态。水位变化设计情景如表3所示。

表3 水位变化设计情景表Tab.3 Design Scenes of Water Level Variation

4 雨洪联合调度方案研究

4.1 青山湖水位变化的影响

在特定的降雨情景下，通过观察出水口水深变化过程线、流量变化过程线，可发现不同青山湖水位对出水口出流量的影响。具体影响为：当出水口被完全淹没时，由于青山湖内水体的顶托作用，排水管网的排水能力受到了很大的影响；当出水口在半淹没状态下时，刚开始受青山湖内水体的影响，排水过程有小幅度的震荡，但从整体上看与出水口处于自由出流状态时基本没有差别，因此出水口在半淹没状态时，青山湖内水体对排水管网的排水能力影响不是很大。具体出水口水深变化过程与流量过程如图6、图7所示。

4.2 青山湖片区防涝安全下边界水位分析及优化

在本研究中，模拟排出口全淹没状态开始时，离排出口最近的两管段由于回灌的青山湖湖水，模拟管道中就已经有水了，并且节点开始蓄水，整个降雨过程中，管道内的水位几乎没有什么变化。当出水口完全淹没时，排水管网的排水能力明显下降的主要原因为下游水位一直不能下降。当青山湖水位较高致使排出口处于全淹没状态时，雨水径流无法顺利地直排，因此，为了满足强降雨条件下雨水径流的排放任务，必须保证青山湖电排站的机排能力，适时地对青山湖水位进行调整。

图6 出水口水深变化过程线Fig.6 Change Process Line of Outlet Water Depth

图7 出水口流量变化过程线Fig.7 Change Process Line of Outlet Flow

分析以上研究，在排水管网自身满足排水能力的前提下，还应考虑受纳水体对排水管网的作用，即排出口须处在自由出流、半淹没状态下，排水管网系统的排水能力才能较好地发挥出来。由青山湖片区的区域面积以及在不同重现期下的实际径流量，计算出不同重现期条件下的汇入量，将汇入量以青山湖水深的形式表述，结合排出口的标高关系，可得青山湖的控制水位，最终确定雨洪联合调度方案。具体计算如表4所示。

表4 青山湖控制水位计算表Tab.4 Calculation of Water Control Level of Qingshan Lake

由表4可知，当重现期为0.5、1 a时，青山湖需控制的水位分别为17.77、17.67 m，均高于常水位17.50 m，满足雨水量要求；但当重现期为2、5、10 a时，青山湖需控制的水位分别为 17.47、17.33、17.20 m，均低于常水位，此时应结合气象预报等技术手段，根据可能发生的降雨等级预先响应，青山湖部分水量通过排涝泵站排至赣江，使水位降至预定位置，避免出现淹没出流导致下游顶托，从而大大影响管网排水能力，产生内涝现象。

5 结论

本研究结合南昌市青山湖片区概况，构建南昌市青山湖片区雨洪管理模型，利用芝加哥雨型及其合成方法，设计了 0.5、1、2、5、10 a 五种不同重现期下的降雨情景。根据青山湖最高水位、最低水位以及常水位，设计了排放口完全淹没、自由出流以及半淹没状态3种状态情景。当重现期为0.5、1 a时，青山湖所需控制水位分别为17.77、17.67 m，均高于常水位17.50 m，满足要求；但当重现期为2、5、10 a时，青山湖所需控制水位分别为17.47、17.33、17.20 m，均低于常水位17.50 m，此时需通过青山湖电排站进行调节，以免发生内涝。

［1］黄国如，黄维，张灵敏，等.基于GIS和SWMM模型的城市暴雨积水模拟［J］.水资源与水工程学报，2015，26（4）：1-6.

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［3］张冬冬，严登华，王义成，等.城市内涝灾害风险评估及综合应对研究进展［J］.灾害学，2014，29（1）：144-149.

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